DE1232659B

DE1232659B - Mit einer Stroemung elektrisch geladener Teilchen in Wechselwirkung stehender Leitungsresonanzkreis und Laufzeitroehren mit Geschwindigkeitsmodulation sowie Protonenbeschleuniger mit solchen Leitungsresonanzkreisen

Info

Publication number: DE1232659B
Application number: DEV8971A
Authority: DE
Inventors: Marvin Chodorow
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1954-06-21
Filing date: 1955-05-28
Publication date: 1967-01-19
Also published as: FR1133964A; US2945155A; GB788611A

Description

DEUTSCHES W9W> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT H03b;H03f
DeutscheKl.: 21g-13/17

Nummer: 1232 659

Aktenzeichen: V 8971IX d/21

1 !232 659 Anmeldetag: 28.Mai 1955

Auslegetag: 19. Januar 1967

Die Erfindung betrifft einen mit einer Strömung elektrisch geladener Teilchen in Wechselwirkung stehenden Leitungsresonanzkreis, der von einer Verzögerungsleitung gebildet wird, die an beiden Enden des genutzten Wechselwirkungsbereichs mit zumindest annähernd total reflektierenden, auf der Verzögerungsleitung stehende Wellen hervorrufenden Unstetigkeitsstellen versehen ist, an deren Bildung quer zum Teilchenstrahl sich erstreckende metallische Teile beteiligt sind, insbesondere für Laufzeitröhren mit Geschwindigkeitsmodulation.

Zur Erzeugung oder Verstärkung von elektrischen Schwingungen, deren Frequenzen im Mikrowellenbereich liegen, werden meist Laufzeitröhren, z. B. Klystrons, verwendet. Klystrons können bis zu Leistungen von 30 Megawatt betrieben werden; in bezug auf z. B. die Bandbreite und die Verstärkung sind ihnen jedoch Grenzen gesetzt.

Die Güte einer Verstärkerröhre wird im allgemeinen durch das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite angegeben und hängt bei Laufzeitverstärkerröhren wesentlich von den Eigenschaften der Wechselwirkungskreise, mit denen der Elektronenstrahl zusammenwirkt, ab. Das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite einer Klystronkammer ist

direkt proportional der Größe ~, wobei R_sh die

Nebenschlußimpedanz der Kammer ist, von der die Verstärkung maßgeblich abhängt, und Q einen Gütefaktor darstellt, der die Bandbreite bestimmt. In einer üblichen Klystronkammer, deren Form und Größe weitgehend durch die gewünschte Resonanzfrequenz bestimmt ist, wird durch jede Änderung, die den Wert-R_sft beeinflußt, auch der Wert β verändert, so daß das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite im wesentlichen als konstant betrachtet werden kann. Wenn in einem speziellen Klystron eine größere Bandbreite gewünscht wird, muß notwendigerweise Verstärkung geopfert werden, und umgekehrt.

In der letzten Zeit sind insbesondere Leitungsresonanzkreise bekanntgeworden, die von der Wechselwirkung zwischen einer Strömung elektrisch geladener Teilchen und einem längs einer Verzögerungsleitung bestehenden elektromagnetischen Wellenfeld Gebrauch machen. Als Verzögerungsleitung dient dabei meist eine einfache Wendel. Es sind aber auch bereits zwei kreuzweise gewickelte Wendeln benutzt worden (britische Patentschrift 668 017), die beidseitig (zur Vermeidung von Reflexionen) genau angepaßt sind. Im allgemeinen ist es bei Laufzeitröhren so, daß die Wellen überhaupt Mit einer Strömung elektrisch geladener
Teilchen in Wechselwirkung stehender
Leitungsresonanzkreis und Laufzeitröhren mit
Geschwindigkeitsmodulation sowie
Protonenbeschleuniger mit solchen
Leitungsresonanzkreisen

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Marvin Chodorow, Menlo Park, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerikavom 21. Juni 1954 (437 947)--

nicht oder nur einmal reflektiert werden. Es sind aber auch bereits Laufzeitröhren mit einer wendeiförmigen Verzögerungsleitung bekannt (USA.-Patent- schrift 2 672 571), bei denen außerhalb des Bereichs der Verzögerungsleitung Unstetigkeitsstellen angebracht sind, so daß sich zwischen ihnen (und damit auch längs der Verzögerungsleitung) stehende Wellen ausbilden, wie insbesondere auch bereits Laufzeitröhren bekannt bzw. vorgeschlagen worden sind, bei denen die wendeiförmige Verzögerungsleitung durch Unstetigkeitsstellen so begrenzt ist, daß sich stehende Wellen ausbilden (französische Patentschrift 1076 856, Unterlagen bekanntgemacht am

17. 6.1954; deutsches Patent 1028 243).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Leitungsresonanzkreise zu verbessern.

Ein Leitungsresonanzkreis der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsleitung zwei kreuzweise gewickelte Wendeln dienen oder eine einer solchen Verzögerungsleitung elektrisch äquivalente Verzögerungsstruktur benutzt wird und daß die kreuzweise gewickelten Wendeln oder die elektrisch äquivalente Verzögerungsstruktur in einer sie nahezu allseitig umschließenden metallischen Kammer angeordnet sind/ist, deren quer zum Teilchenstrahl sich erstrek-

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kende Wandungsteile die Unstetigkeitsstellen bilden oder mitbilden.

Unter dem Begriff »kreuzweise gewickelte Wendeln« werden zwei Wendeln mit gleichen oder nur unwesentlich verschiedenen Abmessungen verstanden, die um den gleichen Längsachsenabschnitt gewickelt sind und sich wesentlich nur dadurch unterscheiden, daß sie eine entgegengesetzte Steigung haben. Vorzugsweise haben die beiden Wendeln gleiche Abmessungen; dabei können sich ihre Durchmesser und Steigungen in Strömungsrichtung der elektrisch geladenen Teilchen fortlaufend ändern.

Zweckmäßigerweise wird mindestens die eine der beiden Unstetigkeitsstellen von einem Hochfrequenzkurzschluß gebildet, auch kann die eine der beiden Unstetigkeitsstellen von einem kapazitiven Abschluß (Spalt) gebildet sein, dessen Spaltbreite vorteilhafterweise veränderbar ist.

Bei einem Reflexklystron mit einem Leitungsresonanzkreis nach der Erfindung ist der Reflektor zweckmäßig derart ausgebildet und angeordnet sowie mit einem solchen Gleichpotential beaufschlagt, daß der im Innern der Verzögerungsleitung zum Reflektor hinlaufende Elektronenstrahl nach der Reflexion als Hohlstrahl außerhalb der Verzögerungsleitung und dicht an derselben zurückläuft.

Bei einem mit erfindungsgemäßenLeitungsresonanzkreisen ausgerüsteten Protonenbeschleuniger durchlaufen die Protonen in Form eines Strahles mehrere in Strahlrichtung hintereinanderliegende Leitungsresonanzkreise nach der Erfindung, von denen jeder mit einer Einrichtung zum Zuführen von Hochfrequenzenergie zur Beschleunigung der Protonen versehen ist.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreises liegt darin, daß das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite variiert werden kann, während es bei den üblichen Klystronkammern im wesentlichen konstant ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die sich auf die Zeichnungen bezieht.

Fig. 1 ist ein Teillängsschnitt eines Leitungsresonanzkreises gemäß der Erfindung;

F i g. 1A zeigt schematisch ein typisches Augenblicksbild des hochfrequenten elektrischen Feldes entlang der kreuzweise gewickelten Wendeln;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt ähnlich wie Fig. 1, der eine abgeänderte Form eines erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreises zeigt;

F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch eine Laufzeitverstärkerröhre mit einem Leitungsresonanzkreis gemäß der Erfindung;

F i g. 4 ist ein Orts-Zeit-Diagramm, welches den in der Laufzeitröhre der F i g. 3 auftretenden Laufzeiteffekt darstellt;

F i g. 5 ist ein Längsschnitt durch eine Laufzeitröhre, die zwei erfindungsgemäße Leitungsresonanzkreise enthält;

F i g. 6 ist ein Längsschnitt durch eine Elektronenröhre nach Art eines Reflexklystrons mit einem Leitungsresonanzkreis gemäß der Erfindung;

F i g. 7 ist ein Längsschnitt durch eine Laufzeitoszillatorröhre mit einem abstimmbaren Leitungsresonanzkreis nach der Erfindung;

Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Laufzeitoszillatorröhre mit einem Leitungsresonanzkreis gemäß der Erfindung;

F i g. 9 ist ein Längsschnitt durch einen Protonenbeschleuniger mit drei Leitungsresonanzkreisen gemäß der Erfindung.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, enthält der erfindungsgemäße Leitungsresonanzkreis 1 eine an sich bekannte Verzögerungsleitung 2 in Form von zwei kreuzweise gewiekelten Wendeln, die im wesentlichen gleichen Durchmesser und gleiche, aber entgegengesetzte Steigung haben. Die Wendeln können

ίο aus Wolframdraht oder einem anderen geeigneten leitenden Material bestehen und sind in einer Glasoder Keramikröhre 5 gehaltert, die auch in manchen Fällen weggelassen oder durch Halterungsstäbe aus Keramik ersetzt werden kann. Gemäß der Erfindung sind die Wendeln in einer sie (bis auf die Durchtrittsöffnungen für die Teilchenströmung) allseitig umschließenden metallischen Kammer angeordnet (in F i g. 1 sind davon nur Teile der Stirnplatt«! 3,4 der Kammer sichtbar). Die metallischen Stirnpletten

ao 3, 4, die z. B. aus Kupfer bestehen können, stellen die total reflektierenden UnstetigkeitsstelIen dar, so daß sich stehende Wellen auf der Verzögerungsleitung 2 ausbilden, wenn dieser eine Hochfrequenzschwingung aufgedrückt wird.

Da die stehenden Wellen sich über der vollen Länge der kreuzweise gewickelten Wendeln ausbilden, ist das mit der Teilchenströmung in Wechselwirkung stehende elektrische Wellenfeld praktisch über die gesamte Länge des Leitungsresonanzkreises t verteilt und existiert nicht nur an einem einzigen Spalt wie bei der üblichen Klystronkammer. In einem gegebenen Augenblick hat das axiale hochfrequente elektrische Feld sowohl im Innern als auch auf der Außenseite der Wendeln abwechselnde Polarität, wo~ bei die axialen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Scheitelwerten durch den Durchmesser und die Steigung der Wendeln bestimmt sind. Die Polarität kehrt sich nach jeder Halbperiode der Schwingungsfrequenz um. Ein Elektron, das die richtige Ge- schwindigkeit hat, um in einer Halbperiode von einem Wellenberg zum nächsten zu gelangen, findet daher während seiner gesamten Laufzeit längs der Wendeln ein Feld von im wesentlichen der gleichen Richtung vor. Die F i g. 1A zeigt ein Augenblicksbild des hochfrequenten elektrischen Feldes längs eines Abschnitts der kreuzweise gewickelten Wendeln.

Anders ausgedrückt läßt sich auch sagen, daß eine stehende Welle sich aus der Überlagerung von zwei in entgegengesetzter Richtung laufenden Wellen (einer vorwärts und einer rückwärts laufenden Welle) ergibt. Eine Teilchenströmung, die sich beispielsweise in der gleichen Richtung und mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit bewegt, wie die vorwärts fortschreitende Welle, wird in zunehmen' dem Maße von dieser Welle beeinflußt und nur vernachlässigbar durch die in umgekehrter Richtung fortschreitenden Welle. Da die rückwärts fortschreitende Welle praktisch mit der gleichen Geschwindigkeit läuft wie die vorwärts fortschreitende Welle, wird das resultierende Wellenfeld, wie es von den elektrisch geladenen Teilchen aus gesehen wird, stets dieselbe Richtung und (im wesentlichen) die gleiche Größe haben. Dabei wird die axiale Komponente des hochfrequenten elektrischen Feldes wegen der kreuzweise gewickelten Wendeln betont.

Damit ein Strahl von elektrisch geladenen Teilchen, z.B. Elektronen, das oben beschriebene Wellenfeld durchlaufen kann, sind die Stirnplatten des

Leitungsresonanzkreises jeweils in der Mitte durchbohrt. Es sei angenommen, daß ein einzelnes Elektron in den Leitungsresonanzkreis der F i g. 1 von links eintritt. Dieses Elektron tritt dann während seines Weges durch den Leitungsresonanzkreis mit dem starken, überwiegend axial gerichteten elektrischen Feld der vorwärts laufenden (d. h. in Strahlrichtung laufenden) Welle in Wechselwirkung, und es findet daher ein starker Energieaustausch zwischen dem Elektron und dem Wellenfeld der Wendeln statt. Die Geschwindigkeitsmodulation des Elektrons wird dadurch beträchtlich größer als die, die in einer üblichen Klystronkammer erreicht werden kann. Es ist mathematisch ermittelt worden, daß der sogenannte »Bündelungswirkungsgrad«, der ein Maßstab für den erzielbaren Energieaustausch ist, bei einer üblichen Klystronkammer theoretisch 58% beträgt, während bei einem erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreis ein Wirkungsgrad von 78 % theoretisch erreichbar ist.

Bei einer gegebenen Frequenz hängt die Geschwindigkeit einer längs der Wendeln fortschreitenden Welle von dem Radius, der Steigung und anderen Dimensionen der Wendeln ab. Wenn für eine gegebene Kreisfrequenz ω die Phasengeschwindigkeit der Grundwelle (Fundamentale) gleich V ist, kann man für die Grundwelle eine Fortpflanzungskonstante

β — ~ definieren, und wenn man die Länge L des

Leitungsresonanzkreises so wählt, daß sie etwa der Beziehung β L = π, 2 π, 3 π usw. entspricht, kann man eine stehende Welle der Kreisfrequenz ω mit 1, 2, 3 usw. Wellenscheiteln, wie sie in Fig. IA dargestellt sind, entsprechend β L = π, 2 π, 3 π usw. erzielen.

Da die Länge eines erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreises nicht begrenzt ist, kann das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite eines solchen Leitungsresonanzkreises variiert werden, was eine besonders wichtige Eigenschaft darstellt. Besonders diese Eigenschaft macht deutlich, daß ein wesentlicher Unterschied gegenüber den üblichen Klystronkammern besteht, deren Produkt aus Verstärkung und Bandbreite im wesentlichen konstant ist.

Diese wichtige Eigenschaft des Leitungsresonanzkreises gemäß der Erfindung kann kurz auf folgende Weise erläutert werden. Das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite eines erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreises ist ebenso wie das der eingangs betrachteten Klystronkammer durch den

Wert —^- bestimmt. Für einen erfindungsgemäßen

Leitungsresonanzkreis ist ~ direkt proportional

der Länge des Leitungsresonanzkreises (Q bleibt im wesentlichen konstant). Wenn man dies als Parameter einer Lauffeldröhre nach Pierce ausdrückt, ist

pro Längeneinheit = — —-,

Q 2λ \vj V

wobei

F ein Dimensionsfaktor,
C die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge,

V die Phasengeschwindigkeit der Grundwelle und

V_g die Gruppengeschwindigkeit ist.

Da bezüglich der Länge des Leitungsresonanzkreises keine Grenzen (außer der praktisch möglichen) gesetzt sind, besteht auch keine Grenze für

den Wert von bzw. das Produkt aus Verstärkung

und Bandbreite.

In F i g. 2 ist eine abgeänderte Form eines Leitungsresonanzkreises gemäß der Erfindung dargestellt, der ebenfalls die gewünschten, obenerwähnten

ίο Eigenschaften aufweist. Eine Elektrode 2', die in ihren elektrischen Eigenschaften den kreuzweise gewickelten Wendeln 2 gleichwertig ist, besteht aus einem kreiszylindrischen metallischen Rohr, das in geeigneter Weise geschlitzt ist, wie es beispielsweise in der obenerwähnten britischen Patentschrift angegeben ist. Die Elektrode 2' bildet eine starre, sich selbst tragende Einheit. Elektroden dieser Art oder andere gleichwertige Verzögerungsstrukturen können bei einem erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreis wie die kreuzweise gewickelten Wendeln verwendet werden. Am linken Ende der Elektrode 2' ist eine total reflektierende Unstetigkeit in Form einer ersten Abschlußplatte 3' gegeben, mit der die Elektrode 2', z. B. durch Hartlöten, verbunden ist. Eine zweite Abschlußplatte 4' ist mit Abstand von dem rechten Ende der Elektrode 2' angeordnet, so daß ein annähernd total reflektierender kapazitiver Spalt entsteht. (Diese Art der Unstetigkeit entspricht einem kapazitiven Abschluß bei einer üblichen Übertragungsleitung, so daß die Lage der maxima und minima der erzeugten stehenden Wellen gegenüber derjenigen verschoben ist, die sich bei einer beidseitig kurzgeschlossenen Leitung ergeben würde.) Die zweite Platte 4' wird durch ein mit der Platte 3' starr verbundenes kreiszylindrisches Metallrohr 6 gehalten, dessen Durchmesser größer als der doppelte Durchmesser der Elektrode 2' ist, so daß die Feldverteilung längs der Elektrode 2' nicht gestört und gleichzeitig das Wellenfeld der Elektrode 2' von äußeren Einflüssen abgeschirmt wird. (Ein Zylinder 6 mit kleinem Durchmesser würde die Resonanzfrequenz des Leitungsresonanzkreises stärker ändern, wenngleich diese Änderung klein bleibt, solange der Durchmesser des Zylinders 6 nicht gerade nur etwas größer als der der Elektrode 2' ist.)

Der erfindungsgemäße Leitungsresonanzkreis, der kreuzweise gewickelte Wendeln (oder auch irgendeine andere elektrisch gleichwertige Anordnung) mit einer Unstetigkeitsstelle an jedem Ende enthält, kann bei Laufzeitröhren im wesentlichen in der gleichen Weise verwendet werden, wie eine übliche Klystronkammer. Er kann aber auch wegen seiner von einer Klystronkammer abweichenden Eigenschaften die Grundlage für den Bau von Röhren bilden, die kein Gegenstück unter den mit üblichen Klystronkammern arbeitenden Röhren haben.

Ein Leitungsresonanzkreis, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist, ist in F i g. 3 als Steuerkreis in einer Klystronverstärkerröhre mit zwei Kammern vorgesehen. Die Steuerkammer 7 besitzt eine Verzögerungsleitung, die von dem ähnlich F i g. 2 symmetrisch geschlitzten Abschnitt eines kreiszylindrischen Metallrohres 8 gebildet wird, wobei die beiden Enden des geschlitzten Rohrabschnittes vakuumdicht zwischen zwei ringscheibenförmigen Abschlußplatten 9 und 10 befestigt sind, die an ihrem Umfang durch eine zylindrische Metallabschirmung 11 vakuumdicht verbunden sind.

Der nicht geschlitzte Teil des Rohres 8 umschließt einen Laufraum; das rechte Rohrende endet in einer üblichen Klystronkammer 12 und bildet die eine Elektrode des kapazitiven Spaltes. Die andere Elektrode des Spaltes ist aus einem Stück mit der ringförmigen Endwandung 13 geformt, durch deren zentrale öffnung die Elektronen in Richtung auf eine Auffangelektrode 14 hindurchgehen können. Die Auffangelektrode 14 ist vakuumdicht an der Kammer 12 befestigt. Der Elektronenstrahl wird von einem üblichen Strahlerzeugungssystem 15 geliefert, das vakuumdicht an die Steuerkammer 7 angeschmolzen ist. Mit 16 ist die Heizspannungsquelle, mit 17 die Beschleunigungsspannungsquelle bezeichnet. Die Auffangelektrode 14 ist mit dem metallischen Röhrenkörper durch einen Leiter galvanisch verbunden und hat daher das gleiche positive Gleichpotential gegenüber der Kathode wie dieser. Durch geeignete Fokussierungsmittel, z. B. eine Spule 18, wird der Elektronenstrahl längs seines gesamten Weges gebündelt geführt.

Die zu verstärkende, der Steuerkammer 7 über eine koaxiale Leitung 19 zugeführte Hochfrequenzenergie bewirkt, daß die Elektronen, die den geschlitzten Rohrabschnitt der Steuerkammer 7 passieren, geschwindigkeitsmoduliert werden. Wenn die Elektronen dann den vom Rohr 8 gebildeten Laufraum durchlaufen, beginnen sie Gruppen zu bilden, wobei diese Gruppenbildung ein Maximum erreicht, wenn sie den kapazitiven Spalt in der Auskoppelkammer 12 passieren. Die ausgekoppelte, verstärkte Hochfrequenzenergie wird durch eine zweite koaxiale Leitung 20 abgenommen. Das Rohr 8 kann auch, falls dies gewünscht wird, über seine gesamte Länge symmetrisch geschlitzt sein und Unstetigkeitsstellen im Sinne des Erfindungsgegenstandes an seinen Enden aufweisen, so daß der feldfreie Laufraum vermieden wird und eine Geschwindigkeitsmodulation (mit daraus resultierender Dichtemodulation) stetig über die ganze Länge der Verzögerungsleitung stattfindet.

Die Modulation, die mit der Verstärkerröhre der F i g. 3 erhalten wird, ist in F i g. 4 graphisch in Form eines Orts-Zeit-Diagramms dargestellt, in dem der Elektronenweg über der Zeit aufgetragen und die Lage einer Anzahl von Elektronen bei ihrem Weg durch die Röhre dargestellt ist. Es sei besonders darauf hingewiesen, daß zwischen den Linien a und b, welche den Anfang und das Ende der Steuerkammer 7 darstellen (die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist), eine kontinuierliche Änderung der Elektronengeschwindigkeit stattfindet, die durch die Krümmung der einzelnen Elektronenwege dargestellt ist. Die aufgedrückte Hochfrequenz ist als Kurvec unter dem Diagramm aufgetragen, und die Lage des kapazitiven Spaltes in der Auskoppelkammer 12 ist durch die Linie d angedeutet, die an einer Stelle liegt, an der die maximale Elektronenanhäufung stattfindet.

In F i g. 5 ist eine Verstärkerröhre dargestellt, die einen Leitungsresonanzkreis gemäß der Erfindung sowohl als Steuerkammer 7 als auch als Auskoppelkammer 12 enthält. Aufbau und Wirkungsweise dieser Verstärkerröhre sind ähnlich der Verstärkerröhre nach F i g. 3 — in F i g. 5 sind daher auch die der Fig. 3 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen —, jedoch hat die Röhre der F i g. 5 vor allem eine größere Bandbreite. Die Aus-

koppelkammer 12 kann von der Steuerkammer 7 abweichende Abmessungen aufweisen, so daß das Verhalten bezüglich Bandbreite und Ausgangsleistung stets optimal gemacht werden kann. Es kann auch noch eine Reihe weiterer erfindungsgemäßer Leitungsresonanzkreise zwischen der Steuerkammer und der Auskoppelkammer vorgesehen werden, wenn eine Verstärkerröhre mit mehrfacher Resonanz erwünscht ist. Die Verstärkerröhre kann dann über ίο einen sehr viel größeren Frequenzbereich verwendet werden als die Verstärkerröhre nach Fig. 3.

Ein Leitungsresonanzkreis gemäß der Erfindung kann auch besonders vorteilhaft in einer Laufzeitröhre nach F i g. 6, die einem üblichen Reflexklystron ähnlich ist, verwendet werden. Der Leitungsresonanzkreis 21 wird wie in F i g. 2, 3 und 5 von einer Kammer mit einem symmetrisch geschlitzten, kreiszylindrischen Metallrohr 22 als Verzögerungsleitung gebildet, deren linkes Ende durch die ringscheibenao förmige Metallplatte 23 und deren rechtes Ende durch das ringförmige Gitter 24, das in der ringförmigen Metallplatte 25 befestigt ist, abgeschlossen ist. Die Platte 25 ist mit der Platte 23 durch eine kreiszylindrische metallische Abschirmung 26 vakuumdicht verbunden. Uber die koaxiale Leitung 27 wird die erzeugte Hochfrequenzenergie abgenommen.

Die Hochfrequenzenergie wird dadurch erzeugt, daß Elektronen von einem Strahlerzeugungssystem 33 in den Leitungsresonanzkreis 21 geschickt werden, der durch eine geeignete Batterie 28 gegenüber der Kathode positiv vorgespannt ist; die Heizspannungsquelle ist mit 29 bezeichnet. Die Elektronen werden beim Durchlaufen des Leitungsresonanzkreises 21 geschwindigkeitsmoduliert, nähern sich dann einem mit der Kathode galvanisch verbundenen Reflektor 30 und kehren dadurch ihre Bewegungsrichtung um. Wegen der im Reflektor vorgesehenen Spitze 31 laufen sie jedoch nicht axial durch das geschlitzte Rohr 22 zurück, sondern in Form eines rohrförmigen Strahles, der zunächst das Gitter 24 durchsetzt, dann außerhalb des geschlitzten Rohres 22 verläuft und schließlich auf der Beschleunigungsanode 23 auftrifft. Wenn die Spitze 31 weggelassen ist, kehrt der Strahl innerhalb des Rohres 22 zurück; die Röhre kann auch auf diese Weise betrieben werden. Da das mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tretende Wellenfeld sowohl außerhalb als auch innerhalb des geschlitzten Rohres 22 sehr stark ist, findet eine gute Wechselwirkung statt; der zurücklaufende, in der Dichte modulierte Elektronenstrahl erzeugt dabei die Hochfrequenzenergie.

Alle in den bisherigen Zeichnungen dargestellten Röhren können auch mit einem EIektronenhohlstrahI betrieben werden.

Da, wie schon oben erwähnt, die Länge eines erfindungsgemäßen Leitungsresonanzkreises nicht begrenzt ist, kann, wenn ein genügend langer Leitungsresonanzkreis vorgesehen wird, nicht nur eine Ge- schwindigkeitsmodulation der Elektronen in ein und demselben Leitungsresonanzkreis erhalten, sondern auch der Maximalwert der aus der Geschwindigkeitsmodulation resultierenden Dichtemodulation erreicht werden, wodurch sich ein besonders zweckmäßiger Schwingungserzeuger ergibt. Ein solcher Schwingungserzeuger ist in F i g. 7 dargestellt, wobei ein erfindungsgemäßer Leitungsresonanzkreis 32 nach Art der F i g. 3 und 5 zwischen einem Strahlerzeu-

Claims

1 gungssystem 33 und einer Auffangelektrode 34 angeordnet ist. Der symmetrisch geschlitzte Rohrabschnitt ist an seinem linken Ende durch die ringscheibenförmige Beschleunigungsanode 35 abgeschlossen und wird von einer Glas- oder Keramikröhre 36 gehaltert, welche an ihrem rechten Ende die Auffangelektrode 34 trägt und gleichzeitig einen Teil der Vakuumhülle bildet. Eine kreiszylindrische metallische Abschirmung 49 ist zwischen der Beschleunigungsanode 35 und einer ringförmigen metallischen Scheibe 38 vorgesehen. Ein ringförmiger metallischer Abstimmkern 39 ist zwischen der Scheibe 38 und der Glas- oder Keramikröhre 36 verschiebar angeordnet. Wenn der Abstimmkern 39 bewegt wird, wird der Ort der elektrisch wirksamen Kurzschlußstelle mitverschoben, so daß sich eine Frequenzänderung hinsichtlich der erzeugten Schwingungen ergibt. Auch eine geringe Veränderung der Elektronengeschwindigkeit, die beispielsweise durch eine Änderung der Beschleunigungsspannung herbei- ao geführt werden kann, kann die relative Phasenlage zwischen den Dichtemodulationen des Elektronenstrahles und dem Wellenfeld des Leitungsresonanzkreises verändern, so daß sich eine Änderung der Frequenz wie bei einem Reflexklystron oder einer ähnlichen derartigen Röhre ergibt. Hierdurch hat man ein Mittel, eine solche Oszillatorröhre elektrisch abzustimmen. Die erzeugte Hochfrequenzenergie wird über die koaxiale Leitung 40 abgenommen. Mit 28 und 29 sind der F i g. 6 entsprechende Spannungsquellen bezeichnet. Eine von den F i g. 6 und 7 etwas abweichend ausgebildete Oszillatorröhre ist in F i g. 8 dargestellt. Die kreuzweise gewickelten Wendeln 41 nehmen dabei hinsichtlich ihres Durchmessers und ihrer Steigung in Richtung der Elektronenbewegung derart ab, daß längs der Wendeln 41 die Phasengeschwindigkeit konstant gehalten wird. Der strahlerzeugerseitige Durchmesser der Wendeln 41 kann zwei- oder dreimal so groß wie der Durchmesser des Elektronen-Strahles sein und dann bis auf etwa den Strahldurchmesser abnehmen. Da dann das Wellenfeld am auffangelektrodenseitigen Ende der Wendeln 41 am stärksten ist, wird dort die stärkste Wechselwirkung hervorgerufen. DerdortdichtemodulierteElektronenstrahl ermöglicht so einen äußerst wirksamen Energieentzug aus dem Elektronenstrahl. Ein Abstimmelement in Form eines beweglichen, kapazitiv wirkenden metallischen Teiles 43 ragt in den Leitungsresonanzkreis 42 hinein und ermöglicht dessen Abstimmung. Die übrigen, mit den gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 7 versehenen Teile entsprechen denen der F i g. 7. Auch andere Anordnungen, bei denen von der Wechselwirkung zwischen einer Strömung elektrisch geladener Teilchen und einem Leitungsresonanzkreis Gebrauch gemacht wird, können einen oder mehrere der Leitungsresonanzkreise gemäß der Erfindung enthalten, um die beschriebenen Vorteile auszunutzen. Insbesondere kann z. B. eine Reihe von solchen Leitungsresonanzkreisen bei einem Protonenbeschleuniger verwendet werden, um dessen Wirksamkeit in ähnlicher Weise zu verbessern, wie dies oben mit Bezug auf einige Laufzeitröhren beschrieben wurde. Bei dem Protonenbeschleuniger nach F i g. 9 werden drei erfindungsgemäße Leitungsresonanzkreise mit jeweils einem symmetrisch geschlitzten Rohrabschnitt nach Art der F i g. 3 und 5 als Verzögerungsstruktur be-659 nutzt. Die Abmessungen der aufeinanderfolgenden Leitungsresonanzkreise sind so gewählt, daß sie den fortlaufenden Änderungen der Protonengeschwindigkeit entsprechen. Mit 48 sind koaxiale Anschlußleitungen zur Zuführung der Hochfrequenzenergie bezeichnet, so daß sich eine additive Beschleunigung der Protonen ergibt, welche von einer geeigneten Quelle 53 ausgehen und nacheinander die Leitungsresonanzkreise durchlaufen. Die Ausbildung der Leitungsresonanzkreise braucht im übrigen nicht kreiszylinderisch zu sein; ihr Querschnitt kann auch von einem kreisförmigen Querschnitt abweichen. Patentansprüche:

1. Mit einer Strömung elektrisch geladener Teilchen in Wechselwirkung stehender Leitungsresonanzkreis, der von einer Verzögerungsleitung gebildet wird, die an beiden Enden des genutzten Wechselwirkungsbereichs mit zumindest annähernd total reflektierenden, auf der Verzögerungsleitung stehende Wellen hervorrufenden Unstetigkeitsstellen versehen ist, an deren Bildung quer zum Teilchenstrahl sich erstreckende metallische Teile beteiligt sind, insbesondere für Laufzeitröhren mit Geschwindigkeitsmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsleitung zwei kreuzweise gewickelte Wendeln dienen oder eine einer solchen Verzögerungsleitung elektrisch äquivalente Verzögerungsstruktur benutzt wird und daß die kreuzweise gewickelten Wendeln oder die elektrisch äquivalente Verzögerungsstruktur in einer sie nahezu allseitig umschließenden metallischen Kammer angeordnet sind/ist, deren quer zum Teilchenstrahl sich erstreckende Wandungsteile die Unstetigkeitsstellen bilden oder mitbilden.

2. Leitungsresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kreuzweise gewickelten Wendeln im wesentlichen den gleichen Durchmesser und die gleiche Steigung aufweisen.

3. Leitungsresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die eine der beiden Unstetigkeitsstellen von einem Hochfrequenzkurzschluß gebildet wird.

4. Leitungsresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Unstetigkeitsstellen von einem kapazitiven Abschluß (Spalt) gebildet wird.

5. Leitungsresonanzkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des den kapazitiven Abschluß bildenden Spaltes veränderbar ist.

6. Leitungsresonanzkreis nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Durchmesser und Steigung der kreuzweise gewickelten Wendeln sich in Strömungsrichtung der elektrisch geladenen Teilchen fortlaufend ändern.

7. Leitungsresonanzkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung von Durchmesser und Steigung derart ist, daß für längs der kreuzweise gewickelten Wendeln fortschreitende elektrische Wellen eine im wesentlichen konstante axiale Phasengeschwindigkeit aufrechterhalten wird.

8. Leitungsresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungs-

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